[发明专利]一种连续监测催化还原硝基苯反应的在线分析系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种连续监测催化还原硝基苯反应的在线分析系统及方法，具体来说就是利用该在线分析系统将高纯氢与硝基苯的混合气通入装有一定量催化剂的微反应管内催化合成苯胺，通过温度控制装置控制催化剂发挥活性的温度，最后反应流出气通过金属毛细管连续进入气体检测装置，从而实现连续在线监测苯胺及其副产物的目的。

背景技术

苯胺作为一种重要的化学原料，主要用于合成得到亚甲基二苯基二异氰酸酯酸酯，同时也可以用于橡胶加工过程、染料加工中间媒介甚至用于杀虫剂和除草剂的生产过程。据统计，全球大约85%的苯胺是由硝基苯的催化加氢还原制得。长期以来，各国科研工作者一直在研究开发高稳定性、高活性、低成本以及能在更温和条件比如低温、大气压下得到高转化率的苯胺合成催化剂。

目前，用于评价催化剂不同温度下催化活性和稳定性的方法主要是离线气相色谱法。该方法利用液氮将反应器的流出气进行冷却浓缩，然后经程序升温的汽化室汽化后经过色谱柱到达氢火焰检测器进行检测。该方法由于需要预浓缩、色谱柱预分离等步骤而费时费力，在用液氮收集冷却反应流出气的过程中很容易出现反应气的泄漏和污染。另外一些能深刻反映催化反应过程的中间产物也可能因此无法检出，从而影响我们对反应过程的进一步了解和认识。因此，我们需要发展一种可以实时在线检测反应物硝基苯和产物苯胺及其他副产物的方法，不需离线浓缩、衍生和洗脱等步骤。在线质谱仪中以硬电离电子碰撞电离（EI-MS）应用最广，但是该方法在线分析反应炉的流出气时会产生很多碎片离子，不能对反应流出气的众多组分实现准确定性和定量分析。在众多软电离方式中，单光子电离（SPI）以其高灵敏度和碎片离子少便于定性等优点越来越多的得到人们的广泛使用，并且已经用于在线分析卷烟燃烧烟气、咖啡烘焙中香味物质的浓度变化和热重分析中木材、矿石燃料等释放的有机物成分等。但是该电离方式只对电离能小于10.6ev的物质进行电离，为了防止反应产生电离能较高的组分，我们结合以O₂⁺为试剂离子的化学电离（CI）方式，即SPI-CI的复合电离方式分析反应流出气，既可以提高对反应气的分析灵敏度，又能扩大分析物质范围，可以达到连续在线监测的目的。

本文的目的在于提供一种评价催化合成苯胺催化剂活性的新系统和分析方法。该方法以微反应器为场所，高纯氢和硝基苯混合气在催化剂的催化下合成一定浓度的苯胺和其他副产物，然后反应流出气在紧靠石英棉的金属毛细管一端进入反应流出气检测装置即单光子电离与化学电离复合电离的质谱仪中进行电离检测。该方法实现了连续在线实时分析，在长时间的连续检测过程中时间精度高，可以观察反应物和产物在短时间内的浓度变化。另外，该装置气路简单，成本低廉，便于操作。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续监测催化还原硝基苯反应的在线分析系统及方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种连续监测催化还原硝基苯反应的在线分析系统，其特征在于：包括微反应器装置、温度控制装置、反应流出气传输部分、供气装置和反应流出气检测装置；

其中，所述供气装置包括载气钢瓶、其出口管路上的质量流量控制器、两通阀与除氧除水管；

所述微反应器装置包括微反应管，为中空变径的密闭腔体；腔体内填充有石英棉和催化剂，腔体侧壁上设有与外界电源相连的加热炉，加热炉内部设有加热棒；腔体的一端设有样品稀释气进样口，稀释气进样口与不锈钢管的一端相连，远离稀释气进样口的另一端为反应流出气出口，靠近反应流出气出口的一处内径小于其他部位，用于阻挡石英棉和催化剂被带出微反应管；样品稀释气为还原气与气态样品的混合气，体积混合比在1:1与10⁶:1之间；

所述温度控制装置包括温度控制仪及热电偶感温元件；热电偶感温元件的一端与微反应管中部的外壁紧密相贴；

所述反应流出气传输部分为金属毛细管，金属毛细管的外径小于微反应管的内径；毛细管的一端直接插入微反应管内部，紧靠石英棉，另一端与反应流出气检测装置的样品进样口相连，金属毛细管外部缠绕加热带加热。

所述反应流出气检测装置为直接气体进样的分析装置，主要为气体进样的在线质谱仪，反应流出气的全部进入分析装置进行分析，无尾气排出。

所述微反应管为石英玻璃，石英棉填充在微反应管的两端，催化剂则填充于石英棉之间，以避免气流将催化剂吹出微反应管。

还原气为高纯氢气，通过不锈钢管传输，并经过除氧除水管的清洁，除氧除水管通过不锈钢管与两通阀连接。